低碳再生水泥應用于混凝土性能研究

項目負責人

王俊杰，清華大學土木系助理研究員

隨著全球氣候變化和環境保護意識的增強，低碳高性能建筑材料的研究與應用已成為建筑行業的重要課題。再生水泥作為一種新型環保材料，通過回收廢棄混凝土塊體，不僅實現了資源的循環利用，還具有顯著的節能減排效果。再生水泥和再生骨料在混凝土中的應用，不僅可以減少對天然水泥和砂石骨料的依賴，降低建筑廢棄物的處理成本，還能有效減少混凝土生產過程中的碳排放。

然而，再生水泥混凝土在力學性能、耐久性和微觀結構方面仍存在一定的局限性。例如，再生水泥和再生骨料的高孔隙率和吸水性會影響再生混凝土的工作性能和耐久性。因此，深入研究再生水泥的低碳高性能機理，探索其在混凝土中的應用及其對性能的影響規律，對于推動可持續建筑材料的發展具有重要意義。

本項目探討了再生水泥的固碳和高性能化機理，包括其在不同前驅體和處理方法下的力學性能和微觀結構變化；其次，研究再生水泥性能的強化機制；最后，研究再生水泥在混凝土中應用的可行性，分析其對混凝土工作性能、力學性能和耐久性的影響。通過這些研究，期望為再生水泥混凝土的綠色化和高性能化提供理論依據和技術支持，促進建筑行業的可持續發展。

重要研究進展及成果

研究成果1：低碳再生水泥物理化學性能影響機理

再生水泥在環保和低碳建材領域中占據了重要位置，其優勢主要體現在降低碳排放、減少資源浪費等方面。本研究通過破碎、加熱、研磨等步驟對廢棄水泥進行再生，探索了其在不同處理條件下的性能變化和機理。具體來說，本研究從處理機制、處理時間、粒徑指標等多個方面進行了優化分析，最終確定了最優的再生水泥制備工藝。

此外，碳化養護是提升再生水泥性能的關鍵手段。通過在CO?環境下對再生水泥進行養護，能夠顯著提高其抗壓強度和致密性。實驗結果表明，通過CO?養護處理后，再生水泥的孔隙率明顯下降，表面形成了豐富的碳化產物CaCO?，這不僅提升了其抗壓強度，還有效改善了水泥的微觀結構。

圖1 再生復合水泥漿體碳化養護下的強度增長

再生水泥的微觀結構分析采用了X射線衍射（XRD）、掃描電子顯微鏡（SEM）等技術。研究表明，在碳化養護條件下，再生水泥中的貝利特礦物反應生成的碳化產物，不僅填充了孔隙，還改善了水泥漿體的整體致密度。此外，隨著碳化過程的推進，水泥中的C-S-H凝膠發生了變化，形成了更為緊密的結構，從而提高了水泥的強度和耐久性。這一發現為后續的再生水泥性能優化和廣泛應用提供了重要理論依據。

圖2 碳化養護再生復合水泥漿體的電鏡圖

研究成果2：不同種類再生水泥的固碳機制

為了進一步提高再生水泥的性能，研究聚焦于不同種類再生水泥固碳效果。碳化養護不僅是改善再生水泥強度的重要手段，還能夠促進水泥中碳酸鹽礦物的形成，從而有效減少二氧化碳的排放。

Si NMR（硅核磁共振）分析結果表明，CO養護的再生水泥漿體中，Q的比例較高，表明形成了更高聚合度的C-S-H結構。同時再生水泥的強度提高了約15%-20%，并且顯著提高了水泥的耐久性。

（a）N組

（b）P組

圖3 碳化養護下不同再生水泥29Si NMR圖譜

實驗結果表明，對于不同再生水泥樣品，其碳化后的抗壓強度和孔隙率表現各異。經過碳化養護后，再生水泥抗壓強度均有顯著提升。進一步的熱重分析（TGA）和XRD分析結果表明，碳化養護有效促進了水泥內部CaCO的生成，這些碳酸鹽礦物填充了水泥漿體的孔隙，增強了水泥的致密性。

在優化固碳研究中，研究人員還通過不同養護時間對比分析了碳化養護對水泥強度和孔隙結構的影響。實驗數據表明，隨著養護時間的延長，再生水泥的抗壓強度和密實度均有顯著提高。具體來說，經過28天CO養護后的再生水泥，其抗壓強度比未養護樣品提高了約30%。

圖4 再生復合水泥漿體碳化增強機理示意圖

研究成果3：低碳再生水泥在混凝土中的應用

再生水泥在混凝土中的應用是實現其低碳高性能目標的關鍵環節。研究表明，再生水泥在混凝土中的性能受到多種因素的影響，包括再生水泥的微觀結構、固碳增強效果、與再生骨料的粘結性能等。

一方面，盡管再生水泥混凝土的強度和耐久性不如傳統硅酸鹽水泥混凝土，但其低碳排放特性使其在可持續建筑材料領域具有顯著優勢。研究發現，使用再生水泥的混凝土比傳統混凝土的二氧化碳排放量能夠減少約85%，這一數字為綠色建筑提供了新的解決方案。

另一方面，再生骨料的質量對再生混凝土的性能影響較大。由于再生骨料通常含有一定的雜質和較高的吸水率，因此在混凝土中使用時，容易影響其力學性能和耐久性。研究顯示，通過優化再生骨料的預處理方法，如進行水洗和熱處理，可以有效改善其與再生水泥的結合力，從而提高再生混凝土的綜合性能。

在微觀層面，研究還發現，界面過渡區是影響再生水泥混凝土性能的關鍵因素。普通混凝土（C-O）界面過渡區較窄且均勻，表明骨料與水泥漿體之間的結合良好，整體結構較為緊密。再生骨料混凝土（C-R）：舊砂漿附著于再生骨料表面，導致界面過渡區寬且弱，孔隙率高，力學性能和耐久性較差。再生水泥混凝土（RC-O）：再生水泥表面松散多孔，與骨料結合力差，存在裂縫，影響整體性能。全再生混凝土（RC-R）：結合了C-R和RC-O的缺陷，界面過渡區不均勻，孔隙結構復雜，力學性能和耐久性最差。普通混凝土：孔隙率低、結構致密，具有良好的力學性能和耐久性。

圖5 不同組份混凝土的多參數指標圖

項目負責人簡介

王俊杰，清華大學土木系助理研究員。國家重點研發首席青年科學家，連續兩年入選愛思唯爾全球前2%頂尖科學家榜單，清華大學優秀碩士學位論文指導教師(2024年)。作為項目負責人主持“十四五”國家重點研發計劃青年科學家項目，國家自然科學基金（青年）項目，國家教育部 “春暉計劃”合作科研項目和國家重點研發計劃子課題等。H-index為33，i10-index為38，Scopus總引用>3300次，單篇最高引用>410次，相關成果受到Nature正刊正面評價。王俊杰一直專注于低碳再生水泥、再生混凝土、地聚物混凝土等綠色建材及其耐久性和無損檢測等方面的研究。在國際高水平期刊Cement and Concrete Research、Cement and Concrete Composites等以第一/通訊作者發表SCI論文60篇（其中IF>10文章10篇，一篇ESI高被引論文），以第一作者授權國家發明專利3項。

聯系方式：junjiewang@tsinghua.edu.cn

“房地產可持續發展”研究資助計劃

本項計劃由清華大學恒隆房地產研究中心于2023年初啟動，該計劃面向清華大學全體教師和研究人員征集，鼓勵和支持我校圍繞房地產行業的多元場景，開展創新性、跨學科交叉研究等。2024年度研究計劃共資助了10項研究，相關成果發布會已于2025年1月10日在清華大學舉行。2025年研究資助計劃申報指南業已發布，感謝您的關注，期待您的申請與轉發。

點擊查看：2025年研究資助計劃申報指南

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